科学家创造了一种新型光学原子钟

德国联邦物理技术研究院的QUEST研究所的科学家已经开发并测试了一种新型的光学原子钟。高电荷离子是宇宙中常见的一种物质形式，例如在太阳或其他恒星中。它们被称为"高电荷"，因为它们已经失去了许多电子，因此具有强烈的正电荷。

因此，与中性或弱电的原子相比，高电荷离子的最外层电子与原子核的结合更强。这使得高电荷离子受外部电磁场的影响较小，但对狭义相对论、量子电动力学和原子核的基本效应更为敏感。

"因此，我们期望带有高电荷离子的光学原子钟能够帮助我们更好地测试这些基本理论"，联邦物理技术研究所（PTB）物理学家Lukas Spieß解释说。 "这个希望已经实现了。我们能够在一个五电子系统中检测到量子电动核反冲，这是一个重要的理论预测，这在之前的任何其他实验中都没有实现过。"

在此之前，该团队必须在多年的工作中解决一些基本问题，如检测和冷却。对于原子钟来说，人们必须将粒子极度冷却，以便尽可能地阻止它们，从而读出它们在静止状态下的频率。然而，高电荷离子是通过创造一个极热的等离子体产生的。由于其极端的原子结构，高电荷离子不能用激光直接冷却，标准检测方法也不能使用。 海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之间的合作解决了这个问题，从热等离子体中分离出一个单一的高电荷氩离子，并将其与一个单电荷铍离子一起储存在一个离子阱中。这使得高电荷离子可以被间接冷却并通过铍离子进行研究。

随后，研究人员在MPIK建造了一个先进的低温陷阱系统，并在PTB完成了实验，这些实验部分是由在各机构之间转换的学生进行的。随后，在PTB开发的一种量子算法成功地将高电荷离子进一步冷却，即接近量子力学基态。这相当于绝对零度以上200百万分之一开尔文的温度。这些结果已经在2020年的《自然》杂志和2021年的《物理评论X》杂志上发表。

现在，研究人员已经成功地迈出了下一步。他们已经实现了一个基于十三倍带电氩离子的光学原子钟，并将其与PTB现有的镱离子钟的走时进行比较。为了做到这一点，他们必须对该系统进行非常详细的分析，以便了解例如高度带电离子的运动和外部干扰场的影响。

结果他们实现了1017分之2的测量不确定性，这与许多目前运行的光学原子钟相当。研究小组负责人皮特-施密特说："我们期望通过技术改进进一步降低不确定性，这应该使我们的研究成果进入最优秀的原子钟的行列。" 研究人员创造了一个与现有光学原子钟相比的强有力的竞争者，例如，基于单个镱离子或中性锶原子的光学原子钟，所使用的方法是普遍适用的，可以研究许多不同的高电荷离子。 这些包括可用于搜索粒子物理学标准模型的扩展的原子系统，其他高电荷离子对精细结构常数的变化和某些暗物质候选物特别敏感，这些候选物在标准模型之外的模型中是需要的，但用以前的方法无法检测到。

审核编辑 ：李倩